Линейный энкодер - Linear encoder

Три типичных линейных оптических энкодера
Визуализация магнитных структур линейного кодировщика (записана с помощью MagView).

А линейный энкодер датчик, преобразователь или считывающая головка в паре с шкала который кодирует позицию. Датчик считывает шкалу, чтобы преобразовать закодированное положение в аналог или же цифровой сигнал, которые затем могут быть декодированы в положение с помощью цифрового считывающего устройства (DRO) или контроллера движения.

Кодировщик может быть либо добавочный или же абсолютный. Движение можно определить по изменению положения с течением времени. Технологии линейных энкодеров включают оптические, магнитные, индуктивные, емкостные и вихревой ток. Оптические технологии включают тени, самоизображение и интерферометрический. Линейные энкодеры используются в метрологических приборах, системах движения, струйные принтеры и высокоточные обрабатывающие инструменты, начиная от цифровых штангенциркулей и координатно-измерительные машины к этапам, ЧПУ мельницы, производство портальных столов и полупроводников степперы.

Физический принцип

Линейные энкодеры - это преобразователи, которые используют множество различных физических свойств для кодирования положения:

На основе шкалы / справки

Оптический

Оптические линейные энкодеры доминируют на рынке высокого разрешения и могут использовать опалубку /муар, дифракция или же голографический принципы. Оптические энкодеры являются наиболее точными из стандартных типов энкодеров и наиболее часто используются в приложениях промышленной автоматизации. При выборе оптического кодировщика важно, чтобы он имел дополнительную встроенную защиту для предотвращения загрязнения пылью, вибрацией и другими условиями, типичными для промышленных сред. Типичные периоды инкрементной шкалы варьируются от сотен микрометров до субмикрометров. Интерполяция может обеспечить разрешение вплоть до нанометра.

Оптический линейный энкодер, установленный на Mitutoyo CMM

Используемые источники света включают инфракрасный Светодиоды, видимые светодиоды, миниатюрные лампочки и лазерные диоды.

Магнитный

Магнитные линейные энкодеры[1] использовать активную (намагниченную) или пассивную (с переменным сопротивлением) шкалы, а положение можно определять с помощью сенсорных катушек, эффект Холла или же магниторезистивный считывающие головки. При более грубых периодах шкалы, чем в оптических энкодерах (обычно от нескольких сотен микрометров до нескольких миллиметров), разрешение порядка микрометра является нормой.

Емкостный

Емкостные линейные энкодеры работают, считывая емкость между считывателем и шкалой. Типичное применение - цифровые штангенциркуль. Один из недостатков - чувствительность к неравномерной грязи, которая может локально изменить относительная диэлектрическая проницаемость.

Индуктивный

Индуктивная технология устойчива к загрязнению, что позволяет использовать штангенциркуль и другие измерительные инструменты, устойчивые к охлаждающей жидкости.[2] Хорошо известным применением принципа индуктивного измерения является Inductosyn.[3]

Вихревой ток

Патент США 3820110, «Цифровой энкодер вихретокового типа и эталон положения», дает пример этого типа энкодера, в котором используется шкала, закодированная немагнитными материалами с высокой и низкой магнитной проницаемостью, которая обнаруживается и декодируется путем отслеживания изменений индуктивности. цепи переменного тока, которая включает датчик с индукционной катушкой. Maxon делает образец продукта (датчик угла поворота) (датчик MILE).[4]

Без весов

Оптический датчик изображения

Датчики основаны на методе корреляции изображений. Датчик делает последующие снимки с измеряемой поверхности и сравнивает изображения на предмет смещения.[5] Возможны разрешения до 1 нм.[6]

Приложения

Есть две основные области применения линейных энкодеров:

Измерение

Приложение для измерения включает координатно-измерительные машины (CMM), лазерные сканеры, суппорты, измерение передач,[7] тестеры натяжения и цифровые считывания (УЦИ).

Системы движения

Системы управления движением с сервоприводом используют линейный энкодер для обеспечения точного и высокоскоростного движения. Типичные приложения включают робототехника, Станки, самовывоз Оборудование для сборки печатных плат; оборудование для обработки и тестирования полупроводников, устройства для склеивания проволоки, принтеры и цифровые печатные машины.[8]

Форматы выходного сигнала

Инкрементальные сигналы

Линейные энкодеры могут иметь аналоговые или цифровые выходы.

Аналоговый

Выходы синуса и косинуса.

Стандартным промышленным аналоговым выходом для линейных энкодеров являются квадратурные сигналы синуса и косинуса. Обычно они передаются по-разному чтобы повысить помехоустойчивость. Ранним отраслевым стандартом были сигналы пикового тока 12 мкА, но в последнее время он был заменен сигналами размаха напряжения 1 В. По сравнению с цифровой передачей более низкая полоса пропускания аналоговых сигналов помогает минимизировать EMC выбросы.

Квадратурные синусоидальные / косинусоидальные сигналы можно легко контролировать с помощью осциллографа в режиме XY для отображения круговой диаграммы. Фигура Лиссажу. Сигналы наивысшей точности получаются, если фигура Лиссажу является круглой (без ошибок усиления или фазы) и идеально центрирована. Современные системы кодирования используют схему для автоматического устранения этих механизмов ошибок. Общая точность линейного энкодера - это комбинация точности шкалы и ошибок, вносимых считывающей головкой. Вклад шкалы в бюджет ошибки включает линейность и наклон (ошибку коэффициента масштабирования). Механизмы ошибок считывающей головки обычно описываются как циклическая ошибка или же ошибка подразделения (SDE) поскольку они повторяются каждый период шкалы. Наибольший вклад в неточность считывающей головки вносит смещение сигнала, за которым следует дисбаланс сигнала (эллиптичность) и фазовая ошибка (квадратурные сигналы разнесены не точно на 90 °). Общий размер сигнала не влияет на точность кодера, однако соотношение сигнал-шум и джиттер могут ухудшаться с меньшими сигналами. Механизмы автоматической компенсации сигнала могут включать: автоматическая компенсация смещения (AOC), автоматическая компенсация баланса (ABC) и автоматическая регулировка усиления (AGC). Фазу труднее компенсировать динамически и обычно применяется как разовая компенсация во время установки или калибровки. Другие формы неточности включают искажение сигнала (часто гармоническое искажение синусоидальных / косинусоидальных сигналов).

Цифровой

Квадратурные каналы A и B

Линейный инкрементальный энкодер имеет два цифровых выходных сигнала, A и B, которые излучают квадратурные прямоугольные волны. В зависимости от своего внутреннего механизма, энкодер может получать A и B непосредственно от датчиков, которые по своей сути являются цифровыми, или может интерполировать свои внутренние аналоговые синусоидальные / косинусные сигналы. В последнем случае процесс интерполяции эффективно разделяет период шкалы и, таким образом, обеспечивает более высокое измерение. разрешающая способность.

В любом случае энкодер будет выводить квадратурные прямоугольные волны, причем расстояние между краями двух каналов является разрешением энкодера. Контрольная метка или индексный импульс также выводится в цифровой форме в виде импульса шириной от одной до четырех единиц разрешения. Выходные сигналы могут напрямую передаваться на цифровой интерфейс инкрементального энкодера для отслеживания позиции.

Основными преимуществами линейных инкрементальных энкодеров являются улучшенная помехозащищенность, высокая точность измерений и отчеты об изменениях положения с малой задержкой. Однако высокочастотные и быстрые фронты сигнала могут создавать больше электромагнитных помех.

Абсолютные опорные сигналы

Помимо аналоговых или цифровых инкрементальных выходных сигналов, линейные энкодеры могут обеспечивать абсолютный опорные или позиционные сигналы.

Контрольная метка

Большинство инкрементальных линейных энкодеров могут генерировать импульс индексной или референтной метки, обеспечивающий положение точки отсчета по шкале для использования при включении или после потери мощности. Этот индексный сигнал должен позволять идентифицировать положение в пределах одного уникального периода шкалы. Референтная метка может содержать единственную особенность на шкале, шаблон автокоррелятора (обычно Код Баркера ) или щебетать шаблон.

Референтные метки с кодировкой расстояния (DCRM) размещаются на шкале в уникальном шаблоне, позволяющем минимальным перемещением (как правило, прохождение двух референтных меток) определить положение считывающей головки. На шкале также могут быть размещены множественные, равноотстоящие контрольные метки, так что после установки желаемый маркер может быть выбран - обычно с помощью магнита или оптически или нежелательных маркеров, отменив их выбор с помощью этикеток или закрашиванием.

Абсолютный код

С правильно закодированной шкалой (мультитрековая, верньер, Цифровой код, или псевдо-случайный код) кодер может определять свое местоположение без движения или необходимость, чтобы найти исходное положение. Такие абсолютные энкодеры также обмениваются данными с помощью протоколов последовательной связи. Многие из этих протоколы являются собственностью (например, Fanuc, Mitsubishi, FeeDat (Fagor Automation), Heidenhain EnDat, DriveCliq, Panasonic, Yaskawa), но открытые стандарты, такие как BiSS[9] теперь появляются, что позволяет избежать привязки пользователей к конкретному поставщику.

Концевые выключатели

Многие линейные энкодеры включают встроенные концевые выключатели; оптический или магнитный. Два концевые выключатели часто включаются, так что при включении питания контроллер может определить, находится ли энкодер в конце хода и в каком направлении перемещать ось.

Физическое устройство и защита

Линейные энкодеры могут быть закрытый или же открыто. Закрытые линейные энкодеры используются в грязных, агрессивных средах, таких как станки. Обычно они представляют собой алюминиевый профиль, покрытый стеклянной или металлической окалиной. Гибкие манжетные уплотнения позволяют внутренней управляемой считывающей головке считывать показания шкалы. Точность ограничена из-за трения и гистерезиса, вызванного этим механическим устройством.

Для обеспечения высочайшей точности, наименьшего гистерезиса измерения и наименьшего трения используются открытые линейные энкодеры.

Линейные энкодеры могут использовать пропускающие (стеклянные) или отражающие шкалы, используя Рончи или же фазовые решетки. Материалы шкалы включают хром на стекле, металл (нержавеющая сталь, позолоченная сталь, Инвар ), керамика (Зеродур ) и пластмассы. Шкала может быть самонесущей, термически прикрепленной к основанию (с помощью клея или липкой ленты) или отслеживать установлен. Установка на гусеничном ходу может позволить весам сохранить свое коэффициент температурного расширения и позволяет разбирать крупногабаритное оборудование для отправки.

Условия кодирования

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Линейные магнитные энкодеры». СБН. Архивировано из оригинал на 2009-10-10. Получено 2009-10-30.
  2. ^ (PDF) https://web.archive.org/web/20131103082314/http://www.mitutoyo.com/pdf/ABS1813-293.pdf. Архивировано из оригинал (PDF) на 2013-11-03. Получено 2011-11-15. Отсутствует или пусто | название = (помощь)
  3. ^ «Барная шкала». Ruhle Companies, Inc. 09 марта 2015 г. В архиве из оригинала на 2020-05-27. Получено 2020-05-27.
  4. ^ http://www.maxonmotor.com/downloads/Flyer_EC6_MILE_e_03.09.pdf
  5. ^ «ИНТАКТОН ФРАБА». FRABA, Inc. 23 апреля 2012 г. Архивировано из оригинал на 2012-04-25. Получено 2011-11-02.
  6. ^ «MICSYS - 2D датчик нано-разрешения» (PDF). Цифровые весы и системы УЦИ. Mitutoyo. Сентябрь 2009 г. Бюллетень № 1976. Архивировано с. оригинал (PDF) на 2011-10-13. Получено 2011-11-15.
  7. ^ . КИМ Венцеля https://web.archive.org/web/20090328005056/http://www.wenzel-cmm.co.uk/Industries.asp?SE=9. Архивировано из оригинал на 2009-03-28. Получено 2009-10-28. Отсутствует или пусто | название = (помощь)
  8. ^ https://web.archive.org/web/20091010200211/http://global.oce.com/products/productionprinting/digitalpresses/color/default.aspx. Архивировано из оригинал на 2009-10-10. Получено 2009-10-29. Отсутствует или пусто | название = (помощь)
  9. ^ http://www.biss-interface.com/

дальнейшее чтение

  • Найс, Дэвид С. (2003). Датчики линейного положения: теория и применение. Нью-Джерси, США: John Wiley & Sons Inc.
  • Ганс, Вальхер (1994). Определение положения: измерение угла и расстояния для инженеров. Баттерворт-Хайнеманн.